(57)【要約】【課題】被写体像の撮像のための構成を使用して、照度値を短時間にて取得可能とし、かつ照度値の取得に要する時間の変動を抑制可能とする固体撮像装置を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、固体撮像装置５は、積算部１４、照度値計算部１５及び照度値出力部１６を有する。積算部１４は、撮像部１１において画素ごとに検出された輝度値を積算する。照度値計算部１５は、積算部１４における積算結果を基に、照度値を計算する。照度値出力部１６は、照度値計算部１５で計算された照度値を出力する。撮像部１１は、二以上の照度測定用条件に応じた撮像を実施可能とされている。照度測定用条件は、電子シャッタ時間及びアナログゲインの少なくとも一方を異ならせて予め設定されている。照度値出力部１６は、二以上の照度測定用条件のうちのいずれかを適用して得られた被写体像を対象として照度値計算部１５で計算された照度値を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を撮像する撮像部と、
前記撮像部において画素ごとに検出された輝度値を積算する積算部と、
前記積算部における積算結果を基に、照度値を計算する照度値計算部と、
前記照度値計算部で計算された前記照度値を出力する照度値出力部と、を有し、
前記撮像部は、電子シャッタ時間及びアナログゲインの少なくとも一方を異ならせて予め設定された二以上の照度測定用条件に応じた撮像を実施可能とされ、
前記照度値出力部は、前記二以上の照度測定用条件のうちのいずれかを適用して得られた前記被写体像を対象として前記照度値計算部で計算された前記照度値を、被写体からの入射光量に対して出力の飽和が生じている白とび画素の数と、前記被写体からの入射光量の変化に対して出力が黒レベルのままとなる黒つぶれ画素の数とに応じて特定し、出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
被写体像を撮像する撮像部と、
前記撮像部において画素ごとに検出された輝度値を積算する積算部と、
前記積算部における積算結果を基に、照度値を計算する照度値計算部と、
前記照度値計算部で計算された前記照度値を出力する照度値出力部と、を有し、
前記撮像部は、電子シャッタ時間及びアナログゲインの少なくとも一方を異ならせて予め設定された二以上の照度測定用条件に応じた撮像を実施可能とされ、
前記照度値出力部は、前記二以上の照度測定用条件のうちのいずれかを適用して得られた前記被写体像を対象として前記照度値計算部で計算された前記照度値を出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記照度値出力部は、被写体からの入射光量に対して出力の飽和が生じている白とび画素の数と、前記被写体からの入射光量の変化に対して出力が黒レベルのままとなる黒つぶれ画素の数とに応じて特定された前記照度値を出力することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記照度測定用条件ごとに設定されている前記電子シャッタ時間及び前記アナログゲインの情報を保持する設定値保持部をさらに有することを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記照度値計算部は、前記白とび画素の数及び前記黒つぶれ画素の数が閾値未満である前記照度測定用条件についての前記照度値を前記照度値出力部が特定した時点で、他の前記照度測定用条件についての照度値の計算を中止することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子を使用して照度を検出する技術が提案されている。例えば、カメラモジュールは、検出された照度に応じて、表示画面の明るさを調節し得る。固体撮像素子による照度検出の方法としては、例えば、各画素で検出された輝度値を集計し、撮像画面全体における輝度値の平均を照度値とする方法が知られている。
【０００３】
一般に、ＣＭＯＳイメージセンサは、各画素についてのアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）における変換精度や画素の飽和電子数等の制約から、最適な露光条件下にて得られるダイナミックレンジは１０から１２ビットとなる。これに対し、一般的な照度センサは、１６ビット程度のダイナミックレンジを持つ照度値を得ることができる。そこで従来、ＣＭＯＳイメージセンサについて、照度センサの場合と同等のダイナミックレンジを持つ照度値を得るために、電子シャッタ（Electronic  Shutter；ＥＳ）時間やアナログゲイン（ＡＧ）を、照度値を求めるための最適な条件へ収束させる技術が開示されている。
【０００４】
例えば、被写体からの入射光量に対して出力の飽和が生じる、いわゆる白とびにより階調が失われている場合、ＥＳ時間の短縮あるいはＡＧの低減により白とびを抑制させ、照度値を測定する。被写体からの入射光量の変化に対して出力が黒レベルのままとなる、いわゆる黒つぶれにより階調が失われている場合、ＥＳ時間の延長あるいはＡＧの増加により黒つぶれを抑制させ、照度値を測定する。ＣＭＯＳイメージセンサは、ＥＳ時間及びＡＧを少しずつ更新させ、最適な条件へと収束させる。
【０００５】
従来の技術では、カメラの移動等による照明条件の変化に対して、条件を収束させるために例えばＥＳ時間及びＡＧを数十回程度更新させることとなる。正確な照度値を得るには、白とび及び黒つぶれをできるだけ少なくさせるために、条件が収束するまでの待機が必要となる。このため、照度値を得るまでには長い時間を要することとなる。消費電力の抑制のためにフレームレートを低下させるほど、照度値を得るまでの時間は長くなる。さらに、ＥＳ時間及びＡＧを更新する回数は撮像の条件等に応じて変動するために、照度値を得るまでの時間は随時変動することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一つの実施形態は、被写体像の撮像のための構成を使用して、照度値を短時間にて取得可能とし、かつ照度値の取得に要する時間の変動を抑制可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、撮像部、積算部、照度値計算部及び照度値出力部を有する。撮像部は、被写体像を撮像する。積算部は、撮像部において画素ごとに検出された輝度値を積算する。照度値計算部は、積算部における積算結果を基に、照度値を計算する。照度値出力部は、照度値計算部で計算された照度値を出力する。撮像部は、二以上の照度測定用条件に応じた撮像を実施可能とされている。照度測定用条件は、電子シャッタ時間及びアナログゲインの少なくとも一方を異ならせて予め設定されている。照度値出力部は、二以上の照度測定用条件のうちのいずれかを適用して得られた被写体像を対象として照度値計算部で計算された照度値を出力する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る固体撮像装置のうち、照度値の算出のための構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図。
【図３】照度測定用条件の設定例について説明する図。
【図４】固体撮像装置により照度値を出力するまでの手順を説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
（実施形態）
図１は、実施形態に係る固体撮像装置のうち、照度値の算出のための構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
【００１２】
デジタルカメラ１は、カメラモジュール２及び後段処理部３を有する。カメラモジュール２は、撮像光学系４及び固体撮像装置５を有する。後段処理部３は、イメージシグナルプロセッサ（image  signal  processor；ＩＳＰ）６、記憶部７及び表示部８を有する。カメラモジュール２は、デジタルカメラ１以外に、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器に適用される。
【００１３】
撮像光学系４は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置５は、被写体像の撮像により画像信号を生成する。ＩＳＰ６は、固体撮像装置５からの画像信号の信号処理を実施する。記憶部７は、ＩＳＰ６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部７は、ユーザの操作等に応じて、表示部８へ画像信号を出力する。表示部８は、ＩＳＰ６あるいは記憶部７から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部８は、例えば、液晶ディスプレイである。
【００１４】
固体撮像装置５は、撮像部１１、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１２、積算部１４、照度値計算部１５、照度値出力部１６、タイミング生成部１７及び設定レジスタ部１８を有する。
【００１５】
撮像部１１は、撮像光学系４により取り込まれた光をフォトダイオードにより信号電荷に変換し、被写体像を撮像する。撮像部１１は、画素ごとの輝度値を検出し、アナログ画像信号を生成する。撮像部１１は、例えば、ＣＭＯＳ（complementary  metal  oxide  semiconductor）イメージセンサである。撮像部１１は、ＣＭＯＳイメージセンサの他、ＣＣＤ（charge  coupled  device）や、単画素のフォトダイオードであっても良い。
【００１６】
ＡＤＣ１２は、撮像部１１からの画像信号をアナログ方式からデジタル方式へ変換し、積算部１４及び照度値出力部１６へ出力する。また、ＡＤＣ１２は、撮像部１１からの画像信号にアナログゲイン（ＡＧ）を乗算する。
【００１７】
積算部１４は、ＡＤＣ１２から入力された輝度値を積算する。照度値計算部１５は、積算部１４における積算結果を基に、照度値を計算する。照度値出力部１６は、照度値計算部１５で計算された照度値を出力する。照度値出力部１６は、ＡＤＣ１２からの画像信号について、白とび画素の数と、黒つぶれ画素の数とを参照し、出力する照度値を特定する。白とび画素は、被写体からの入射光量に対して出力の飽和が生じている画素とする。黒つぶれ画素は、被写体からの入射光量の変化に対して出力が黒レベルのままとなっている画素とする。
【００１８】
タイミング生成部１７は、撮像部１１、ＡＤＣ１２、積算部１４及び照度値計算部１５の駆動タイミングを制御する。タイミング生成部１７は、撮像部１１の駆動タイミングの制御のための撮像制御信号２１を生成し、撮像部１１へ出力する。タイミング生成部１７は、ＡＤＣ１２の駆動タイミングの制御のためのＡＤ変換制御信号２２を生成し、ＡＤＣ１２へ出力する。タイミング生成部１７は、積算部１４の駆動タイミングの制御のための積算制御信号２３を生成し、積算部１４へ出力する。タイミング生成部１７は、照度値計算部１５の駆動タイミングの制御のための照度値計算制御信号２４を生成し、照度値計算部１５へ出力する。さらに、タイミング生成部１７は、設定レジスタ部１８に対し、照度測定用条件に応じたタイミング生成設定値２５を読み出すための設定読み出し要求２９を出力する。
【００１９】
設定レジスタ部１８は、予め設定されたタイミング生成設定値２５、積算設定値２６、照度値計算設定値２７及びＡＧ情報２８を保持する設定値保持部として機能する。設定レジスタ部１８は、タイミング生成部１７へタイミング生成設定値２５を出力する。タイミング生成設定値２５は、電子シャッタ（ＥＳ）時間に関する情報を含む。設定レジスタ部１８は、積算部１４へ積算設定値２６を出力する。設定レジスタ部１８は、照度値計算部１５へ照度値計算設定値２７を出力する。設定レジスタ部１８は、ＡＤＣ１２へ、ＡＧ情報２８を出力する。
【００２０】
撮像部１１は、ＥＳ時間及びＡＧの少なくとも一方を異ならせて予め設定された二以上の照度測定用条件に応じた撮像を実施可能とされている。固体撮像装置５は、例えば、ＥＳ時間及びＡＧの少なくとも一方を異ならせて予め設定された３つの照度測定用条件に応じた撮像を実施する。本実施形態において、固体撮像装置５は、ＥＳ時間及びＡＧの積ＥＳ・ＡＧを、照度測定用条件とする。設定レジスタ部１８は、照度測定用条件に含めるＥＳ時間及びＡＧを予め保持する。
【００２１】
図３は、照度測定用条件の設定例について説明する図である。ここでは、１０００００ｌｕｘから０．１ｌｕｘまでの照度値を得るための、ＥＳ・ＡＧの組合せを例とする。本実施形態では、１０００００ｌｕｘから０．１ｌｕｘまでの範囲に対し、マージンとして１０％広い範囲における照度値（１１００００ｌｕｘから０．０９ｌｕｘ）を得ることを想定している。
【００２２】
例えば、１０ビット（６４ｄＢ）のダイナミックレンジを持つ信号を出力するＡＤＣ１２を適用する場合、固体撮像装置５は、各ＥＳ・ＡＧにおいて１０２４値の照度値を取得可能とする。
【００２３】
１１００００ｌｕｘから１０７ｌｕｘの照度値を検出可能であるときのＥＳ・ＡＧが１であったとする。ＥＳ・ＡＧとしては、例えば、１、３２及び１１９３の３通りを設定する。各ＥＳ・ＡＧで検出可能とする照度値の範囲に適宜重複を持たせることで、固体撮像装置５は、照度測定用条件同士の間で、出力する照度値についての連続性を保ち易くすることができる。
【００２４】
なお、照度測定用条件とするＥＳ・ＡＧは３通りである場合に限られず、二以上であれば良いものとする。照度測定用条件として設定されるＥＳ・ＡＧの数は、ＡＤＣ１２のビット分解能や、検出可能とする照度値の範囲に応じて適宜変更しても良い。照度測定用条件は、ＥＳ時間及びＡＧの双方を変化させたものである他、ＥＳ時間及びＡＧの一方のみを変化させたものとしても良い。
【００２５】
図４は、固体撮像装置により照度値を出力するまでの手順を説明するフローチャートである。３通りのＥＳ・ＡＧに対して設定されているＥＳ時間は、ＥＳ・ＡＧ＝１１９３、３２及び１の順に長いものとする。ここでは、固体撮像装置５は、３通りのＥＳ・ＡＧのうちＥＳ時間が最も長いＥＳ・ＡＧ＝１１９３による撮像を最初に実施し、次いで、ＥＳ・ＡＧ＝３２及び１と、ＥＳ時間を順次短くして撮像を実施することとする。なお、各照度測定用条件についての撮像の順序は、ＥＳ時間が長い条件から実施する場合に限られず、任意であるものとする。
【００２６】
タイミング生成部１７は、ＥＳ・ＡＧ＝１１９３について設定されているＥＳ時間をタイミング生成設定値２５として読み出すための設定読み出し要求２９を、設定レジスタ部１８に対し出力する。タイミング生成部１７は、設定レジスタ部１８からＥＳ時間を読み出す（ステップＳ１）。
【００２７】
設定レジスタ部１８は、ＥＳ・ＡＧ＝１１９３について設定されているＡＧを、ＡＤＣ１２へ出力する。設定レジスタ部１８は、積算設定値２６と、ＥＳ・ＡＧ＝１１９３に対応する照度値計算設定値２７を出力する。
【００２８】
タイミング生成部１７は、設定レジスタ部１８から読み出されたＥＳ時間に応じて、撮像制御信号２１、ＡＤ変換制御信号２２、積算制御信号２３及び照度値計算制御信号２４を生成し、出力する。撮像部１１は、タイミング生成部１７によって設定レジスタ部１８から読み出されたＥＳ時間での撮像を、撮像制御信号２１に応じて実施する（ステップＳ２）。ＡＤＣ１２は、ＡＤ変換制御信号２２に応じて、撮像部１１からの画像信号のＡＤ変換を実施する。
【００２９】
ＡＤＣ１２は、撮像部１１からの画像信号に、設定レジスタ部１８から読み出されたＡＧを乗算する（ステップＳ３）。積算部１４は、積算制御信号２３に応じて、ＡＤＣ１２から入力された輝度値を積算する（ステップＳ４）。
【００３０】
積算部１４は、例えば、積算設定値２６に応じて、１つのフレームの画面全体について輝度値を積算する。この他、積算部１４は、１つのフレームの画面のうち一部の領域について輝度値を積算することとしても良い。積算部１４は、画面内に設定された複数の領域について、領域ごとに輝度値を積算することとしても良い。設定レジスタ部１８は、積算部１４における積算の手法に関する情報を、積算設定値２６として保持している。積算部１４は、積算設定値２６に従って、輝度値を積算する。
【００３１】
照度値計算部１５は、積算部１４における積算結果を使用する演算を照度値計算制御信号２４に応じて実施し、照度値を計算する（ステップＳ５）。照度値計算部１５は、例えば、以下の式を適用して、照度値を計算する。
照度値＝（積算値／積算画素数）／（ＥＳ・ＡＧ）×ｋ
【００３２】
この式において、積算値は、積算部１４における積算結果とする。積算画素数は、積算部１４において輝度値の積算の対象とした画素の数とする。ｋは、照度値の微調整のための係数とする。設定レジスタ部１８は、ＥＳ・ＡＧ（＝１１９３）及び係数ｋを含む情報を、照度値計算設定値２７として照度値計算部１５へ出力する。照度値計算部１５は、上記の式に適用するＥＳ・ＡＧ及び係数ｋを、照度値計算設定値２７から取得する。
【００３３】
照度値出力部１６は、照度値計算部１５での照度値の計算の基とされた画像信号をＡＤＣ１２から取得し、白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数が所定の閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ６）。
【００３４】
白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数がいずれも閾値未満である場合（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、照度値出力部１６は、照度値を出力する（ステップＳ７）。固体撮像装置５は、照度値出力部１６からの照度値を出力し、当該フレームについての照度測定を終了する。
【００３５】
白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数の少なくとも一方が閾値以上である場合（ステップＳ６、Ｎｏ）、照度値出力部１６は、当該フレームについて、全ての照度測定用条件に対する照度値の計算が完了したか否かを判断する（ステップＳ８）。照度測定用条件のいずれかについて照度値が計算されていない場合（ステップＳ８、Ｎｏ）、固体撮像装置５は、照度測定用条件を変更して（ステップＳ９）、ステップＳ１からの手順を繰り返す。
【００３６】
ＥＳ・ＡＧ＝１１９３について照度値が計算され、かつＥＳ・ＡＧ＝３２及び１について照度値が計算されていない場合に、固体撮像装置５は、ステップＳ８において照度測定用条件をＥＳ・ＡＧ＝３２へ変更し、ステップＳ１からの手順を繰り返す。
【００３７】
ＥＳ・ＡＧ＝３２として、白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数がいずれも閾値未満であった場合（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、固体撮像装置５は、ＥＳ・ＡＧ＝３２について計算された照度値を出力する（ステップＳ７）。白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数の少なくとも一方が閾値以上である場合（ステップＳ６、Ｎｏ）、固体撮像装置５は、ステップＳ８及びＳ９を経て、照度測定用条件をＥＳ・ＡＧ＝１へ変更し、ステップＳ１からの手順を繰り返す。
【００３８】
ＥＳ・ＡＧ＝１として、白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数がいずれも閾値未満であった場合（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、固体撮像装置５は、ＥＳ・ＡＧ＝１について計算された照度値を出力する（ステップＳ７）。白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数の少なくとも一方が閾値以上である場合（ステップＳ６、Ｎｏ）、当該フレームについて全ての照度測定用条件により照度値が計算された（ステップＳ８、Ｙｅｓ）ため、固体撮像装置５は、照度値計算部１５で計算された照度値を出力せずに、当該フレームについての照度測定を終了する。
【００３９】
デジタルカメラ１は、例えば撮像時において、固体撮像装置５で求めた照度値に応じて表示部８（図２参照）の明るさを調節する。デジタルカメラ１は、撮像時における周囲の照度に応じて表示部８の明るさを適宜調整することで、いずれの照度環境下においても見易い画面を表示することができる。
【００４０】
デジタルカメラ１は、例えば、固体撮像装置５で求めた照度値に応じて、操作キー（図示省略）の発光を制御することとしても良い。デジタルカメラ１は、固体撮像装置５で求めた照度値を、いずれの用途に使用することとしても良い。デジタルカメラ１は、固体撮像装置５で求めた照度値を、例えば表示部８への表示等により出力することとしても良い。
【００４１】
上述の手順では、ステップＳ６において白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数が閾値未満である照度測定用条件についての照度値を照度値出力部１６が特定した時点で、照度値計算部１５は、他の照度測定用条件についての照度値の計算を中止する。これにより、固体撮像装置５は、当該フレームについての照度測定を終了する。この場合、固体撮像装置５は、全ての照度測定用条件についての照度値の計算を待たずに、早期に照度値を出力することができる。
【００４２】
照度値出力部１６は、全ての照度測定用条件についての照度値が照度値計算部１５で計算されてから、白とび画素の数及び黒つぶれ画素の数が閾値未満となる照度測定条件のうちの一つについて照度値を出力することとしても良い。
【００４３】
照度値出力部１６は、全ての照度測定用条件についての照度値を出力することとしても良い。照度値出力部１６は、少なくとも、二以上の照度測定用条件のうちのいずれかを適用して得られた被写体像を対象として照度値計算部１５で計算された照度値を出力するものであれば良い。
【００４４】
照度値出力部１６は、照度値とともに、その付帯情報、例えば、積算部１４における積算対象とした画素の数等を出力することとしても良い。照度値出力部１６は、白とびあるいは黒つぶれを条件として画素の数をカウントする以外に、他の条件、例えば、予め設定された範囲の輝度値を持つことを条件として画素の数をカウントすることとしても良い。
【００４５】
照度値出力部１６は、画面全体についての照度値を出力する他、画面のうちの一部の範囲についての照度値を出力することとしても良い。照度値出力部１６は、画面の全体あるいは一部について１つの照度値を出力する他、画面内に設定された領域ごとの複数の照度値の全てあるいは一部を出力することとしても良い。
【００４６】
固体撮像装置５は、検出可能な照度範囲を照度測定用条件の切り換えによって適宜変化させることで、照度環境に適した照度値の計測が可能となる。固体撮像装置５は、被写体像の撮影のための処理とは異なり、明るさの変化に対し条件の厳密な調整を行わないこととしても、照度環境に適した照度値の計測を十分実施することができる。
【００４７】
固体撮像装置５は、照度値の出力については、ＥＳ時間及びＡＧを常時最適化させるための処理を不要とすることで、照度値を出力するまでの時間を短くできるとともに、消費電力を低減可能とする。固体撮像装置５は、予め決められているＥＳ時間及びＡＧから照度測定用条件を切り換えることで、照度値の出力に要する時間の変動を抑制可能とする。これにより、固体撮像装置５は、被写体像の撮像のための構成を使用して、照度値を短時間にて取得でき、かつ照度値の取得に要する時間の変動を抑制させることができる。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
５  固体撮像装置、１１  撮像部、１４  積算部、１５  照度値計算部、１６  照度値出力部、１８  設定レジスタ部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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